這根看不見的弦，可能隱藏了宇宙的終極奧秘

2020-08-13 16:30

來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客

原創(chuàng) 羽華世界頂尖科學(xué)家論壇來自專輯獨(dú)家專訪

8月10日，國際理論物理中心（International Centre for Theoretical Physics，簡稱ICTP）宣布，將2020年狄拉克獎授予三位杰出物理學(xué)家——蒙彼利埃大學(xué)的安德烈·內(nèi)沃（André Neveu）、佛羅里達(dá)大學(xué)的皮埃爾·拉蒙（Pierre Ramond）、以及羅馬第一大學(xué)的米格爾·維拉宿（Miguel Virasoro），以表彰他們“對弦理論的創(chuàng)立和形式化表述所作的先驅(qū)性貢獻(xiàn)，將新的玻色和費(fèi)米對稱性引入物理學(xué)”。

2020年狄拉克獎得主。圖｜ICTP

弦理論被視為現(xiàn)今最有可能成為物理學(xué)大統(tǒng)一的理論；但由于缺少實(shí)驗(yàn)實(shí)證，弦理論也不斷受到挑戰(zhàn)和質(zhì)疑。今日，世界頂尖科學(xué)家論壇專訪復(fù)旦大學(xué)物理系研究員、劍橋大學(xué)理論物理系博士孔令欣，請她對弦理論做科普性的闡釋。

什么是弦理論？

“上世紀(jì)60年代，物理學(xué)家通過對撞機(jī)，發(fā)現(xiàn)了很多介子，他們也注意到介子的自旋和重量有一個非常簡單的線性關(guān)系。大家就問，什么樣的理論可以來解釋這些觀測結(jié)果。

“意大利物理學(xué)家加布里埃爾·維尼齊亞諾（Gabriele Veneziano）根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，‘猜’了一個數(shù)學(xué)方程。后來的科學(xué)家對維尼齊亞諾的方程做出了物理的解釋，假設(shè)比粒子更小的基本單位并不是一個點(diǎn)，而是一根弦，好比小提琴的弦。計(jì)算它們的相互作用可以重構(gòu)出維尼齊亞諾的數(shù)學(xué)公式。

“這些不同的弦有不同的震蕩頻率，粒子的重量和弦的震蕩頻率有關(guān)，粒子的自旋也跟弦的震蕩模式有關(guān)，計(jì)算同時重構(gòu)出自旋和質(zhì)量的線性關(guān)系。弦理論就是這樣誕生的。”孔令欣介紹說。

弦理論數(shù)學(xué)需要6個額外的維度。圖｜Penn Today

弦可以被視為能量的微絲，它們以不同的模式振動。就像琴弦的不同振動模式產(chǎn)生不同的音符一樣，弦的不同振動狀態(tài)產(chǎn)生不同的基本粒子（通過賦予其質(zhì)量、電荷等性質(zhì)），如電子、中微子。

作為弦理論的開創(chuàng)者，維尼齊亞諾獲得了2014年狄拉克獎。

“開弦”、“閉弦”和“超弦”

維拉宿是維尼齊亞諾的合作者之一，之后進(jìn)行了獨(dú)立研究。受維尼齊亞諾“開弦”模型的啟發(fā)，維拉宿發(fā)展了他自己的模型，后來被稱為“閉弦”模型。打比方而言，開弦就像一段繩子，而閉弦則像環(huán)形的橡皮圈。

維尼齊亞諾和維拉宿的成果被稱為玻色弦理論，也就是說，它只描述了一類叫作“玻色子”的粒子。

玻色子是自旋為整數(shù)（0，1，2，……，以普朗克常量為單位）的粒子，如光子、引力子、希格斯玻色子。還有一類粒子被稱為費(fèi)米子，是自旋為半整數(shù)（1/2，3/2，5/2，……，以普朗克常量為單位）的粒子，比如電子、質(zhì)子、夸克。

玻色子如何與其他類別的亞原子粒子、強(qiáng)子和費(fèi)米子配合。圖｜維基百科

“內(nèi)沃和拉蒙所做的貢獻(xiàn)，就是把弦論擴(kuò)展到了費(fèi)米子，也就是超弦理論。這樣弦理論就可以解釋包括引力在內(nèi)的所有基本粒子，成為物理的大統(tǒng)一理論。”孔令欣介紹說。

弦理論試圖將描述引力的愛因斯坦廣義相對論和描述物質(zhì)基本組成的量子力學(xué)結(jié)合起來。弦理論在解決基礎(chǔ)物理中的一些問題上發(fā)揮了十分重要的作用，并已應(yīng)用于其他各種領(lǐng)域，如黑洞、早期宇宙、凝聚態(tài)物理，等等，而且促進(jìn)了純數(shù)學(xué)的重大發(fā)展。

從最微觀到最宏觀的尺度驗(yàn)證弦理論

“當(dāng)然，現(xiàn)在對弦理論的最大疑問，是它能否準(zhǔn)確描述各種物理現(xiàn)象呢？現(xiàn)在仍然是一個問號。因?yàn)橛懈鞣N理論來解釋，弦理論是其中之一。我個人認(rèn)為，哪怕弦理論本身不是終極理論，它也是一個很重要的橋梁?！笨琢钚勒f。

弦理論是一個試圖解釋一切的假想的想法。圖｜Live Science

由于弦的尺度實(shí)在太小，現(xiàn)有的工具無法直接觀測，也很難通過實(shí)驗(yàn)得到驗(yàn)證，這也是對弦論的主要質(zhì)疑。對此，孔令欣認(rèn)為，可以從最微觀和最宏觀的尺度去驗(yàn)證。

“粒子對撞機(jī)是一個方向。通過理論計(jì)算的特定模型，給出對撞機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的預(yù)言。建模跟實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合的話，就能驗(yàn)證弦理論。但是目前進(jìn)展不大?！?/p>

“另外我們還可以從宇宙學(xué)的角度去尋找弦。宇宙大爆炸的極端環(huán)境，有可能遺留了一些關(guān)于弦的線索，我們通過天文觀測去尋找這樣的東西。”孔令欣介紹說。

狄拉克獎簡介

ICTP狄拉克獎為紀(jì)念20世紀(jì)最偉大的物理學(xué)家之一、1933年諾貝爾物理學(xué)獎得主保羅·狄拉克（Paul Adrien Maurice Dirac）而設(shè)立，于1985年首次頒發(fā)。該獎項(xiàng)被視為理論和數(shù)學(xué)物理領(lǐng)域的最高榮譽(yù)，多位狄拉克獎獲獎?wù)吆髞慝@得了諾貝爾獎、菲爾茲獎和沃爾夫獎。